Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Температура во включенной печи в какой-то момент достигает 500°. При выключении температура будет промежуточной между максимальной и комнатной, в зависимости от того, сколько времени назад печь была выключена.

Какой температуры можно ожидать, если зайти в магазин? Логично предположить случайное распределение температур между комнатной и 500°. Представьте свое удивление, когда вы обнаружите, что все мини-печи имеют одинаковую температуру, скажем 272° плюс-минус 0,005°! Как объяснить такое явление? Оно явно не может быть случайным. Выглядит как тайный сговор. Но даже если так, то продавцам пришлось бы синхронизировать длительность работы каждой печи и точное время выключения. Подобный сговор потребовал бы практически мгновенного согласования действий продавцов по всему огромному магазину.

Теория Большого взрыва объясняла подозрительное совпадение тем, что первичная Вселенная была почти идеально однородной и осталась таковой, даже когда расширилась более чем на 90 млрд световых лет. Это было неудовлетворительное объяснение — очередная констатация факта, не поддающегося проверке, и такое же проклятие для космологов, как начало Вселенной.

Проблема плоскостности. Если внимательно посмотреть на поверхность конского седла или футбольного мяча, можно заметить две основные особенности: 1) они изогнуты в большом масштабе; 2) имеют множество неровностей на поверхности в малом масштабе. Математики называют такую изогнутость и неровности кривизной.

Принято говорить, что мяч имеет положительный радиус кривизны, можно сказать, что он выгнут наружу, или выпуклый. И наоборот, седло имеет отрицательный радиус кривизны, кривая обращена внутрь, и ее можно назвать вогнутой. Плоская поверхность, такая как лист бумаги, имеет бесконечно большой радиус кривизны, что фактически эквивалентно ее отсутствию. Как уже упоминалось выше, в 1992 году в ходе эксперимента COBE были обнаружены небольшие вариации яркости космического микроволнового фона. Эти флуктуации были вызваны неравномерным распределением материи/энергии в первичной плазме, которые создавали рябь на ткани пространства-времени. Но в 1992 году не было известно, «изогнута» ли Вселенная в большом масштабе. И если изогнута, является ее радиус кривизны положительным (как у мяча) или отрицательным (как у седла)? Или он бесконечен, как у плоского листа бумаги?

Существует простой способ измерить кривизну поверхности — нарисовать треугольник и сложить величины его внутренних углов. Две тысячи лет назад Евклид доказал, что, если нарисовать треугольник любого размера на плоском папирусе и посчитать сумму его углов, она всегда будет равна 180°. Но в треугольнике, нарисованном на поверхности с положительной кривизной, такой как поверхность земного шара, сумма углов будет превышать 180°. Представьте, что вы находись в столице Эквадора Кито, расположенной на экваторе. Оттуда вы отправляетесь точно на восток, на противоположную сторону планеты в Куала-Лумпур, Малайзия. Далее вы едете на Южный полюс, а затем возвращаетесь обратно в Кито. Сумма внутренних углов этого треугольника составит почти 360° — в два раза больше, чем на плоской поверхности. Таким образом, с помощью обычного треугольника можно измерить кривизну двумерной поверхности. На протяжении многих лет астрономы проводили похожие измерения, используя в качестве углов треугольника планеты, звезды и даже целые галактики. И всякий раз они не находили никаких свидетельств кривизны Вселенной (рис. 31).

Эти треугольники были относительно небольшими, по космическим меркам по крайней мере. Чтобы измерить кривизну всей Вселенной, нужен треугольник, у которого хотя бы одна из сторон простирается максимально далеко от Земли, т. е. заканчивается в точке, которая существовала сразу после Большого взрыва. Такой треугольник с максимально удаленной вершиной и известной длиной стороны мог стать космической линейкой, позволяющей измерить радиус кривизны Вселенной.

Оказалось, что такие «стандартные линейки» существовали; это были мелкомасштабные колебания — звуковые волны, которые распространялись через плазму, создавшую реликтовое излучение, и трансформировались в температурные вариации с угловым масштабом на небесной сфере порядка 1° {3} . Это были самые большие структуры, которые могли сформироваться в ранней Вселенной, — линейки, равные по длине возрасту Вселенной, умноженному на скорость звука. Если вернуться к рис. 30, то размер этих линеек был равен диаметру маленьких кругов. Эти колебания были обнаружены через восемь лет после эксперимента COBE в ходе эксперимента BOOMERanG и немедленно использованы для измерения кривизны Вселенной. Оказалось, что радиус кривизны бесконечен, т. е. наша Вселенная — плоская. Какой бы большой треугольник вы ни нарисовали, сумма его углов всегда будет равна 180° (рис. 32).